第3章步進電動機傳動控制3.1步進電動機3.2步進電動機的環形分配器3.3步進電動機的驅動電路步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成直線或角位移的執行元件。步進電動機的運動由一系列電脈沖控制，脈沖發生器所產生的電脈沖信號，通過環形分配器按一定的順序加到電動機的各相繞組上。為了使電動機能夠輸出足夠的功率，經過環形分配器產生的脈沖信號還需要進行功率放大。環形分配器、功率放大器以及其他輔助電路統稱為步進電機的驅動電源。步進電動機、驅動電源和控制器構成步進電動機傳動控制系統，如圖3.1所示。步進電動機的優點：控制特性好；誤差不長期積累；步距值不受各種干擾因素的影響。

步進電動機轉子轉動的速度取決于脈沖信號的頻率，總位移量取決于總的脈沖數，它作為伺服電動機應用于控制系統時，可以使系統簡化，工作可靠，而且可以獲得較高的控制精度。步進電動機的應用：

步進電動機在機械、電子、紡織、輕工、化工、石油、郵電、冶金、文教和衛生等行業，特別是在數控機床上獲得了越來越廣泛的應用。

本章從實際應用的角度出發，介紹步進電動機的基本結構、工作原理、驅動方式、驅動電路、運行特性以及步進電動機控制等方面的內容。3.1步進電動機3.1.1步進電動機的結構與工作原理結構特點

步進電動機由定子和轉子兩大部分組成。三相反應式步進電動機的結構簡圖如圖3.2所示，定子有六個磁極，每相對磁極構成一相控制繞組，轉子上有均布的四個齒。2.工作原理（1）基本工作原理步進電動機的工作原理，其實就是電磁鐵的工作原理，如圖3.3所示。當U相通電，V、W相不通電，如圖3.3a所示，1、3齒與U相對齊；當V相通電，U、W相不通電，如圖3.3b所示，2、4齒與V相對齊；當W相通電，U、V相不通電，如圖3.3c所示，1、3齒與W相對齊；由此可見，當通電順序為U→V→W→U→V→…時，轉子便順時針方向一步一步地轉動，通電狀態每換接一次，轉子前進一步，一步對應的角度稱為步距角。電流換接三次，磁場旋轉一周，轉子前進一個齒距的位置，一個齒距所對應的角度稱為齒距角（此例中齒距角為90度）當改變通電順序時，將改變轉子的轉向。（2）通電方式單相輪流通電方式每次切換前后只有一相繞組通電。在這種通電方式下，電動機工作的穩定性較差，容易失步。上述例子即為單向輪流通電方式，稱為三相單三拍通電（2）通電方式雙相輪流通電方式每次有兩相繞組通電，通電狀態切換時，轉子轉動平穩，且輸出力矩較大，這種通電方式定位精度高而且不易失步。以三相反應式電動機為例，雙相輪流通電方式為：UV→VW→WU→UV→…

稱為三相雙三拍通電。（2）通電方式單雙相輪流通電方式

上述兩種通電方式的組合。即通電方式為：U→UV→V→VW→W→WU→U→…

稱為三相六拍通電，如圖3.4所示。三相六拍通電方式的步距角減小一倍。3.1.2小步距角步進電動機實際的小步距角電動機如圖3.5所示。它的定子內圓和轉子外圓上均有齒和槽，而且定子和轉子的齒寬和齒距相等。若定子為三相繞組，當某一相磁極下定子與轉子的齒相對時，下一相磁極下定子與轉子齒的位置剛好錯開1/3齒距，再下一相磁極下定子與轉子的齒錯開2/3齒距，依此類推。當定子各相繞組輪流通電一次，轉子就轉過一個齒距。3.1.3步進電動機的分類1.按工作原理分類激磁式（電磁式）

步進電動機的定子和轉子均有繞組，靠電磁力矩使轉子轉動。反應式（磁阻式）

轉子無繞組，定子繞組勵磁后產生反應力矩，使轉子轉動。永磁式

轉子和定子的某一方具有永久磁鋼，另一方由軟磁材料制成。繞組輪流通電，建立的磁場與永久磁鋼的恒定磁場相互作用產生轉矩。混合式（永磁感應式）反應式步進電動機結構示意圖反應式步進電動機多段環形線圈結構反應式步進電動機多段分布繞組結構反應式直線步進電動機永磁式步進電動機示意圖永磁式步進電動機環形線圈結構混合式步進電動機結構示意圖2.按輸出轉矩的大小分類快速步進電動機

電動機的輸出轉矩一般為0.07～4Nm，可以控制小型精密機床的工作臺，例如線切割機床。功率步進電動機

電動機的輸出轉矩一般為5～40Nm，可直接驅動機床的移動部件。

此外，按勵磁相數可分為三相、四相、五相、六相、等等。相數越多，步距角越小，但結構越復雜。按運動方式分為旋轉運動、直線運動、平面運動等。按定子排列還可分為徑向式（單段式）和軸向式（多段式），軸向式的轉動慣量小，快速性和穩定性好，功率步進電動機多為軸向式，3.2.1步進電動機的驅動方式步進電動機是繞組按一定方式輪流通電工作的。為了實現這種輪流通電，需要將控制脈沖按規定的方式分配給步進電動機，實現這種脈沖分配功能的是環形分配器。環形分配器的輸出信號還需進行功率放大才能驅動步進電動機。步進電動機驅動系統框圖如圖3.8所示。3.2步進電動機的環形分配器3.2.2步進電動機的環形分配器

環形分配器是根據指令把脈沖信號按一定的邏輯關系加到放大器上，使各相繞組按一定的順序和時間導通和斷開，并根據指令使電動機正轉或反轉，實現確定的運行方式。環形分配器可以由硬件和軟件兩種方式實現。1.硬件環形分配器硬件環形分配器由門電路和雙穩態觸發器組成的邏輯電路構成。（1）集成脈沖分配器

CH250是專為三相反應式步進電動機設計的環形分配器。這種集成電路采用CMOS工藝，集成度高，可靠性好。它的管腳圖及三相六拍工作時的接線圖如圖3.9所示。

CH250有A、B、C三個輸出端，當輸入端CL或EN加上時鐘脈沖后，輸出波形將符合三相反應式步進電動機的要求。若采用CL脈沖輸入端時，是上升沿觸發，同時EN為使能端，EN＝1時工作，EN＝0時禁止。反之，采用EN作時鐘端，則下降沿觸發，此時CL為使能端，CL＝0時工作，CL＝1時禁止。

R和R*分別為雙三拍運行和六拍運行的復位端。當R加上正脈沖，ABC的狀態為110，而R*加上正脈沖后，ABC的狀態為100，以避免ABC出現000或111非法狀態。2.軟件環形分配器一般微機系統需要進行如下設置：設置輸出接口設輸出口的A0接U相；A1接V相；A2接W相。設計環形分配子程序在存儲器中建立環形分配表。設計延時子程序

設計延時子程序來控制步進頻率。表3.6環形分配表存儲元件地址

單元內容對應通電相K＋0K＋1K＋2K＋3K＋4K＋501H（0001）03H（0011）02H（0010）06H（0110）04H（0100）05H（0101）UUVVVWWWU3.3步進電動機的驅動電路3.3.1單電壓限流型驅動電路步進電動機一相的驅動電路如圖3.12所示。這種電路的特點是線路簡單，成本低，低頻時響應較好；缺點是效率低，尤其在高頻工作的電動機效率更低。在實際中較少使用，只有在小功率步進電動機且在簡單應用中才使用。3.3.2雙電壓驅動電路雙電壓驅動電路習慣上稱為高低壓切換電路，其最后一級如圖3.13a所示。這種電路的特點是電動機繞組主電路中采用高壓和低壓兩種電壓供電，一般高壓為低壓的數倍。適用于大功率和高頻工作的步進電動機，優點是功耗小，起動力矩大，突跳頻率和工作頻率高，缺點是低頻振蕩加劇，波形呈凹形，輸出轉矩下降；大功率管的數量多用一倍，增加了驅動電源。3.3.3斬波驅動電路

斬波電路的出現是為了彌補雙電壓電路波形呈現凹形的缺陷，改善了輸出轉矩的下降，使勵磁繞組中的電流維持在額定值附近，其電路圖和輸出波形圖如圖3.14所示。3.3.4升頻升壓驅動電路為了減小低頻振動，應使低速時繞組電流上升的前沿較平緩，這樣才能使轉子在到達新的穩定平衡位置時不產生過沖，而在高速時則應使電流有較陡的前沿，以產生足夠的繞組電流，才能提高步進電動機的帶載能力。這就要求驅動電源低頻時用較低的電壓供電，高頻時用較高的電壓供電。升頻升壓驅動電路可以較好地滿足這一要求。3.3.5細分驅動電路

如果要求步進電動機有更小的步距角，更高的分辨率(即脈沖當量)，或者為減小電動機振動、噪聲等原因，可以在每次輸入脈沖切換時，只改變相應繞組中額定的一部分，則電動機的合成磁勢也只旋轉步距角的一部分，轉子的每步運行也只有步距角的一部分，繞組電流分成數個臺階，則轉子就以同樣的次數轉過一個步距角，這種將一個步距角細分成若干步的驅動力法，稱為細分驅動。細分驅動電路的特點：不改變電動機結構參數的情況下，能使步距角減小，但細分后的齒距角精度不高，且驅動電源的結構也相應復雜。使步進電動機運行平穩，提高均勻性，并能減弱或消除振蕩。目前實現細分階梯波供電的方法有：先放大后疊加，如圖3.16a所示。先疊加后放大，如圖3.16b所示。3.4步進電動機的控制

步進電動機的工作過程一般由控制器控制，控制器按照設計者的要求完成一定的控制過程，使驅動電源按照要求的規律驅動電動機運行。簡單的控制過程可以用各種邏輯電路來實現，但線路復雜，控制方案難以改變。目前，主要采用單片機作為步進電動機的控制器進行控制，很好地克服了硬件邏輯線路控制器的缺點。3.4.1步進電動機的開環控制串行控制具有串行控制功能的單片機系統與步進電動機驅動電源之間具有較少的連線。這種系統中，驅動電源中必須含有環形分配器，其功能框圖如圖3.25所示并行控制用微機系統的數條端口線直接去控制步進電動機各相驅動電路的方法稱為并行控制。在驅動電源內，不包含環形分配器，其功能必須由微機系統完成。系統實現脈沖分配器的功能又有兩種方法：純軟件方法軟、硬件相結方法

并行控制方案的功能框圖如圖3.26所示。步進電動機速度控制

控制步進電動機的運行速度，實際上就是控制系統發出脈沖的頻率或者換相的周期。系統可以用兩種方法確定脈沖的周期（頻率）：軟件延時定時器

軟件延時的方法是通過調用延時子程序的方法實現的，它占用CPU時間。定時器方法是通過設置定時時